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2019-2020年高中物理選修3-1 2-7 閉合電路的歐姆定律 教學(xué)設(shè)計(jì) 教學(xué)目標(biāo)　　　　　 (一)知識(shí)與技能 1．能夠推導(dǎo)出閉合電路的歐姆定律及其公式，知道電源的電動(dòng)勢(shì)等于內(nèi)、外電路上電勢(shì)降落之和。 2．理解路端電壓與負(fù)載的關(guān)系，知道這種關(guān)系的公式表達(dá)和圖線表達(dá)，并能用來(lái)分析、計(jì)算有關(guān)問(wèn)題。 3．掌握電源斷路和短路兩種特殊情況下的特點(diǎn)。知道電源的電動(dòng)勢(shì)等于電源沒(méi)有接入電路時(shí)兩極間的電壓。 4．熟練應(yīng)用閉合電路歐姆定律解決有關(guān)的電路問(wèn)題。 5．理解閉合電路的功率表達(dá)式，知道閉合電路中能量的轉(zhuǎn)化。 (二)過(guò)程與方法 1．通過(guò)演示路端電壓與負(fù)載的關(guān)系實(shí)驗(yàn)，培養(yǎng)學(xué)生利用“實(shí)驗(yàn)研究，得出結(jié)論”的探究物理規(guī)律的科學(xué)思路和方法。 2．通過(guò)利用閉合電路歐姆定律解決一些簡(jiǎn)單的實(shí)際問(wèn)題，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用物理知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的能力。 (三)情感、態(tài)度與價(jià)值觀 通過(guò)本節(jié)課教學(xué)，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生科學(xué)素質(zhì)的培養(yǎng)，通過(guò)探究物理規(guī)律培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力。 教學(xué)重點(diǎn)難點(diǎn)　　　 重點(diǎn)： 1．推導(dǎo)閉合電路歐姆定律，應(yīng)用定律進(jìn)行有關(guān)討論。 2．路端電壓與負(fù)載的關(guān)系。 難點(diǎn)： 路端電壓與負(fù)載的關(guān)系。 教學(xué)活動(dòng)　　　　　 (一)引入新課 教師：前邊我們知道電源是通過(guò)非靜電力做功把其他形式能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。只有用導(dǎo)線將電源、用電器連成閉合電路，電路中才有電流。那么電路中的電流大小與哪些因素有關(guān)？電源提供的電能是如何在閉合電路中分配的呢？今天我們就學(xué)習(xí)這方面的知識(shí)。 (二)進(jìn)行新課 1．閉合電路歐姆定律 教師：(投影)教材圖(如圖所示) 閉合電路由內(nèi)電路和外電路組成 教師：閉合電路是由哪幾部分組成的？ 學(xué)生：內(nèi)電路和外電路。 教師：在外電路中，沿電流方向，電勢(shì)如何變化？為什么？ 學(xué)生：沿電流方向電勢(shì)降低。因?yàn)檎姾傻囊苿?dòng)方向就是電流方向，在外電路中，正電荷受靜電力作用，從高電勢(shì)向低電勢(shì)移動(dòng)。 教師：在內(nèi)電路中，沿電流方向，電勢(shì)如何變化？為什么？ 學(xué)生(代表)：沿電流方向電勢(shì)升高。因?yàn)殡娫磧?nèi)部，非靜電力將正電荷從電勢(shì)低處移到電勢(shì)高處。 教師：這個(gè)同學(xué)說(shuō)得確切嗎？ 學(xué)生討論：如果電源是一節(jié)干電池，在電源的正負(fù)極附近存在著化學(xué)反應(yīng)層，反應(yīng)層中非靜電力(化學(xué)作用)把正電荷從電勢(shì)低處移到電勢(shì)高處，在這兩個(gè)反應(yīng)層中，沿電流方向電勢(shì)升高。在正負(fù)極之間，電源的內(nèi)阻中也有電流，沿電流方向電勢(shì)降低。 教師：(投影)教材圖(如圖所示)內(nèi)、外電路的電勢(shì)變化。 閉合電路的電勢(shì) 教師：引導(dǎo)學(xué)生推導(dǎo)閉合電路的歐姆定律。可按以下思路進(jìn)行： 設(shè)電源電動(dòng)勢(shì)為E，內(nèi)阻為r，外電路電阻為R，閉合電路的電流為I， (1)寫(xiě)出在t時(shí)間內(nèi)，外電路中消耗的電能E外的表達(dá)式； (2)寫(xiě)出在t時(shí)間內(nèi)，內(nèi)電路中消耗的電能E內(nèi)的表達(dá)式； (3)寫(xiě)出在t時(shí)間內(nèi)，電源中非靜電力做的功W的表達(dá)式； 學(xué)生：(1)E外＝I2Rt (2)E內(nèi)＝I2rt (3)W＝Eq＝EIt 根據(jù)能量守恒定律，W＝E外＋E內(nèi) 即EIt＝I2Rt＋I(xiàn)2rt 整理得： E＝IR＋I(xiàn)r 或者I＝ 教師(幫助總結(jié))：這就是閉合電路的歐姆定律。 (1)內(nèi)容：閉合電路中的電流跟電源的電動(dòng)勢(shì)成正比，跟內(nèi)、外電路的電阻之和成反比，這個(gè)結(jié)論叫做閉合電路的歐姆定律。 (2)公式：I＝ (3)適用條件：外電路是純電阻的電路。 根據(jù)歐姆定律，外電路兩端的電勢(shì)降落為U外＝IR，習(xí)慣上稱(chēng)為路端電壓，內(nèi)電路的電勢(shì)降落為U內(nèi)＝Ir，代入E＝IR＋I(xiàn)r 得E＝U外＋U內(nèi) 該式表明，電動(dòng)勢(shì)等于內(nèi)外電路電勢(shì)降落之和。 2．路端電壓與負(fù)載的關(guān)系 教師：對(duì)給定的電源，E、r均為定值，外電阻變化時(shí)，電路中的電流如何變化？ 學(xué)生：據(jù)I＝可知，R增大時(shí)I減??；R減小時(shí)I增大。 教師：外電阻增大時(shí)，路端電壓如何變化？ 學(xué)生：有人說(shuō)變大，有人說(shuō)變小。 教師：實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，讓我們一起來(lái)做下面的實(shí)驗(yàn)。 演示實(shí)驗(yàn)：探討路端電壓隨外電阻變化的規(guī)律。 (1)投影實(shí)驗(yàn)電路圖如圖所示。 研究路端電壓 (2)按電路圖連接電路。 (3)調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器，改變外電路的電阻，觀察路端電壓怎樣隨電流(或外電阻)而改變。 學(xué)生：總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)論： 當(dāng)外電阻增大時(shí)，電流減小，路端電壓增大；當(dāng)外電阻減小時(shí)，電流增大，路端電壓減小。 教師：下面用前面學(xué)過(guò)的知識(shí)討論它們之間的關(guān)系。路端電壓與電流的關(guān)系式是什么？ 學(xué)生：U＝E－Ir 教師：就某個(gè)電源來(lái)說(shuō)，電動(dòng)勢(shì)E和內(nèi)阻r是一定的。當(dāng)R增大時(shí)，由I＝得，I減小，由U＝E－Ir，路端電壓增大。反之，當(dāng)R減小時(shí)，由I＝得，I增大，由U＝E－Ir，路端電壓減小。 拓展：討論兩種特殊情況： 教師：剛才我們討論了路端電壓跟外電阻的關(guān)系，請(qǐng)同學(xué)們思考：在閉合電路中，當(dāng)外電阻等于零時(shí)，會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象？ 學(xué)生：發(fā)生短路現(xiàn)象。 教師：發(fā)生上述現(xiàn)象時(shí)，電流有多大？ 學(xué)生：當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，外電阻R＝0，U外＝0，U內(nèi)＝E＝Ir，故短路電流I＝。 教師：一般情況下，電源內(nèi)阻很小，像鉛蓄電池的內(nèi)阻只有0.005 Ω～0.1 Ω，干電池的內(nèi)阻通常也不到1 Ω，所以短路時(shí)電流很大，很大的電流會(huì)造成什么后果？ 學(xué)生：可能燒壞電源，甚至引起火災(zāi)。 教師：實(shí)際中，要防止短路現(xiàn)象的發(fā)生。當(dāng)外電阻很大時(shí)，又會(huì)發(fā)生什么現(xiàn)象呢？ 學(xué)生：斷路。斷路時(shí)，外電阻R→∝，電流I＝0，U內(nèi)＝0，U外＝E。 教師：電壓表測(cè)電動(dòng)勢(shì)就是利用了這一原理。 3．閉合電路歐姆定律的應(yīng)用(投影) 求電動(dòng)勢(shì)和內(nèi)阻 【例題1】在圖中R1＝14 Ω，R2＝9 Ω。當(dāng)開(kāi)關(guān)處于位置1時(shí)，電流表讀數(shù)I1＝0.2 A；當(dāng)開(kāi)關(guān)處于位置2時(shí)，電流表讀數(shù)I2＝0.3 A。求電源的電動(dòng)勢(shì)E和內(nèi)電阻r。 解：根據(jù)閉合電路歐姆定律，題述的兩種情況可列以下兩個(gè)方程 E＝I1R1＋I(xiàn)1r E＝I2R2＋I(xiàn)2r 消去E，解出r，得r＝ 代入數(shù)值，得r＝1 Ω 將r代入E＝I1R1＋I(xiàn)1r中，得 E＝3 V 教師引導(dǎo)學(xué)生分析解決例題。 討論：電源的U－I圖象 教師：根據(jù)U＝EIr，利用數(shù)學(xué)知識(shí)可以知道路端電壓U是電流I的一次函數(shù)，同學(xué)們能否作出U－I圖象呢？ 學(xué)生：路端電壓U與電流I的關(guān)系圖象是一條向下傾斜的直線。 投影：U－I圖象如圖所示。 教師：從圖象可以看出路端電壓與電流的關(guān)系是什么？ 學(xué)生：U隨著I的增大而減小。 教師：直線與縱軸的交點(diǎn)表示的物理意義是什么？直線的斜率呢？ 學(xué)生：直線與縱軸的交點(diǎn)表示電源的電動(dòng)勢(shì)E，直線的斜率的絕對(duì)值表示電源的內(nèi)阻。 (三)課堂總結(jié)、點(diǎn)評(píng) 通過(guò)本節(jié)課的學(xué)習(xí)，主要學(xué)習(xí)了以下幾個(gè)問(wèn)題： 1．電源的電動(dòng)勢(shì)等于電源沒(méi)有接入電路時(shí)兩極間的電壓。電源電動(dòng)勢(shì)等于閉合電路內(nèi)、外電阻上的電勢(shì)降落U內(nèi)和U外之和，即E＝U內(nèi)＋U外。 2．閉合電路的歐姆定律的內(nèi)容及公式。 3．路端電壓隨著外電阻的增大而增大，隨著外電阻的減小而減小。 4．路端電壓與電流的關(guān)系式為U＝E－Ir，其U－I圖線是一條傾斜的直線。 (四)實(shí)例探究 電路結(jié)構(gòu)變化問(wèn)題的討論 【例2】在如圖所示的電路中，R1＝10 Ω，R2＝20 Ω，滑動(dòng)變阻器R的阻值為0～50 Ω，當(dāng)滑動(dòng)觸頭P由a向b滑動(dòng)的過(guò)程中，燈泡L的亮度變化情況是________ A．逐漸變亮　　　　　　　　B．逐漸變暗 C．先變亮后變暗 D．先變暗后變亮 解析：燈泡的亮度由燈的實(shí)際功率大小決定。電燈燈絲電阻不變，研究通過(guò)燈絲電流的大小可知燈的亮度。 電源電動(dòng)勢(shì)E和內(nèi)阻r不變，通過(guò)燈泡電流由外電路總電阻決定。外電阻是由滑動(dòng)變阻器連入電路部分的電阻決定的，當(dāng)滑動(dòng)觸頭由a向b滑動(dòng)過(guò)程中，滑動(dòng)變阻器連入電路部分的電阻增大，總電阻增大，總電流I＝減少，燈泡的實(shí)際功率PL＝I2RL減小，燈泡變暗。綜上所述，選項(xiàng)B正確。 閉合電路歐姆定律的定量應(yīng)用 【例3】如圖所示電路中，R1＝0.8 Ω，R3＝6 Ω，滑動(dòng)變阻器的全值電阻R2＝12 Ω，電源電動(dòng)勢(shì)E＝6 V，內(nèi)阻r＝0.2 Ω，當(dāng)滑動(dòng)變阻器的滑片在變阻器中央位置時(shí)，閉合開(kāi)關(guān)S，電路中的電流表和電壓表的讀數(shù)各是多少？ 解析：外電路的總電阻為R＝ ＋R1＝ Ω＋0.8 Ω＝3.8 Ω 根據(jù)閉合電路歐姆定律可知，電路中的總電流為 I＝＝ A＝1.5 A 即電流表A1的讀數(shù)為1.5 A 對(duì)于R2與R3組成的并聯(lián)電路，根據(jù)部分電路歐姆定律，并聯(lián)部分的電壓為 U2＝IR并＝I＝1.53 V＝4.5 V 即電壓表V2的讀數(shù)為4.5 V 對(duì)于含有R2的支路，根據(jù)部分電路歐姆定律，通過(guò)R2的電流為 I2＝＝ A＝0.75 A 即電流表A2的讀數(shù)為0.75 A 電壓表V1測(cè)量電源的路端電壓，根據(jù)E＝U外＋U內(nèi)得 U1＝E－Ir＝6 V－1.50.2 V＝5.7 V 即電壓表V1的讀數(shù)為5.7 V。 點(diǎn)評(píng)： 1．電路中的電流表、電壓表均視為理想電表(題中特別指出的除外)，即電流表內(nèi)阻視為零，電壓表內(nèi)阻視為無(wú)窮大。 2．解答閉合電路問(wèn)題的一般步驟： (1)首先要認(rèn)清外電路上各元件的串并聯(lián)關(guān)系，必要時(shí)，應(yīng)進(jìn)行電路變換，畫(huà)出等效電路圖。 (2)解題關(guān)鍵是求總電流I，求總電流的具體方法是：若已知內(nèi)、外電路上所有電阻的阻值和電源電動(dòng)勢(shì)，可用閉合電路的歐姆定律(I＝)直接求出I；若內(nèi)外電路上有多個(gè)電阻值未知，可利用某一部分電路的已知電流和電壓求總電流I；當(dāng)以上兩種方法都行不通時(shí)，可以應(yīng)用聯(lián)立方程求出I。 (3)求出總電流后，再根據(jù)串、并聯(lián)電路的特點(diǎn)或部分電路歐姆定律求各部分電路的電壓和電流。